Dendrite (metal)

Кіріспе

Металлургияда дендрит - балқыған металл қатып қалғанда өсетін кристаллдардың ағаш тәрізді құрылымы, энергиясы қолайлы кристаллографиялық бағыттар бойынша жылдам өсу арқылы қалыптасады. Бұл дендриттік өсім материалдың қасиеттеріне қатысты үлкен салдарларға әкеледі.

Құрылу

Дендриттер бірлік (бір компонентті) жүйелерде, сондай-ақ көп компонентті жүйелерде пайда болады. Сұйықтың (тотыққан материалдың) қатты заттың тоңазыту нүктесінен төмен болуы талап етіледі. Бастапқыда, қатты ядроның шар тәрізді пішіні төмен суытылған балқымадан пайда болады. Сфера өскен сайын, сфералық морфология тұрақсыз болып, пішіні бұзылады. Қатты пішін кристаллдың өсу бағытын білдіре бастайды. Бұл өсу бағыты қатты-сұйық интерфейстің беткі энергиясының анизотропиясына немесе атомдардың әртүрлі кристаллографиялық жазықтықтағы интерфейске жеңіл жабысуына немесе екеуіне де байланысты болуы мүмкін (соңғысының мысалы үшін, хопперлік кристалды қараңыз). Металл жүйелерінде интерфейсті бекіту кинетикасы әдетте елеусіз (елеусіз жағдайларға дендритті (кристалл) қараңыз). Металл жүйелерінде қатты дене ең жоғары беткі энергиясы бар беттердің ауданын азайтуға тырысады. Осылайша дендриттің ұшы өскен сайын үзіліп, үзіліп отырады. Егер анизотропия жеткілікті болса, дендрит бет тәрізді морфологияны көрсете алады. Микроқұрылымдық ұзындығы шкаласы беткі энергия мен сұйықтықтағы температуралық градиент (жылу / ерітінді диффузиясын басқаратын) арасындағы өзара әрекеттесу немесе тепе-теңдікпен анықталады. Қатаю процесінде атомдардың саны артып, олардың кинетикалық энергиясы жоғалады, бұл процесс экзотермиялық болады. Таза материал үшін қатты-сұйық интерфейсте латентті жылу бөлінеді, сондықтан балқыма толығымен қатып қалғанға дейін температура тұрақты болады. Кристаллдық заттың өсу қарқыны осы жасырын жылудың қаншалықты тез алыстатылуына байланысты болады. Түйірілмейтін балқымада өсетін дендритті тұрақты жылдамдықпен пішінін сақтай отырып өсетін кристалл тәрізді параболалық ине ретінде болжауға болады. Ядролық және өсу эквиакслы қатаюда дәннің мөлшерін анықтайды, ал көршілес дендриттер арасындағы бәсеке бағандық өсуде негізгі арақашықтықты анықтайды. Жалпы, балқыған жерді баяу салқындатса, жаңа кристаллдардың ядролары үлкен салқындатудан аз болады. Дендриттік өсім үлкен дендриттерге әкеледі. Керісінше, үлкен суытумен жылдам суыту циклі ядролардың санын арттырады және нәтижесінде дендриттердің мөлшерін азайтады (және жиі кішкентай дәндерге әкеледі). Кіші дендриттер әдетте өнімнің жоғары сымбаттылығына әкеледі. Дендриттік өсу және нәтижесінде материалдың қасиеттері байқалатын бір қолданба - дәнекерлеу процесі. Дендриттер құйма өнімдерде де жиі кездеседі, онда олар жылтыратылған үлгілерді кесу арқылы көрінеді. Дендриттер сұйық металға айналған сайын, олар ыстыққа ие болады, өйткені олар жылуды алуды жалғастырады. Егер олар тым ыстық болса, олар қайтадан балқып кетеді. Дендриттердің қайта балқыуы рекалесценция деп аталады. Дендриттер әдетте тепе-теңдік жағдайында қалыптаспайды.

Dendrites form in unary (one component) systems as well as multi component systems. The requirement is that the liquid (the molten material) be undercooled, aka supercooled, below the freezing point of the solid. Initially, a spherical solid nucleus grows in the undercooled melt. As the sphere grows, the spherical morphology becomes unstable and its shape becomes perturbed. The solid shape begins to express the preferred growth directions of the crystal. This growth direction may be due to anisotropy in the surface energy of the solid–liquid interface, or to the ease of attachment of atoms to the interface on different crystallographic planes, or both (for an example of the latter, see hopper crystal). In metallic systems, interface attachment kinetics is usually negligible (for non negligible cases, see dendrite (crystal)). In metallic systems, the solid then attempts to minimize the area of those surfaces with the highest surface energy. The dendrite thus exhibits a sharper and sharper tip as it grows. If the anisotropy is large enough, the dendrite may present a faceted morphology. The microstructural length scale is determined by the interplay or balance between the surface energy and the temperature gradient (which drives the heat/solute diffusion) in the liquid at the interface. As solidification proceeds, an increasing number of atoms lose their kinetic energy, making the process exothermic. For a pure material, latent heat is released at the solid–liquid interface so that the temperature remains constant until the melt has completely solidified. The growth rate of the resultant crystalline substance will depend on how fast this latent heat can be conducted away. A dendrite growing in an undercooled melt can be approximated as a parabolic needle like crystal that grows in a shape preserving manner at constant velocity. Nucleation and growth determine the grain size in equiaxed solidification while the competition between adjacent dendrites decides the primary spacing in columnar growth. Generally, if the melt is cooled slowly, nucleation of new crystals will be less than at large undercooling. The dendritic growth will result in dendrites of a large size. Conversely, a rapid cooling cycle with a large undercooling will increase the number of nuclei and thus reduce the size of the resulting dendrites (and often lead to small grains). Smaller dendrites generally lead to higher ductility of the product. One application where dendritic growth and resulting material properties can be seen is the process of welding. The dendrites are also common in cast products, where they may become visible by etching of a polished specimen. As dendrites develop further into the liquid metal, they get hotter because they continue to extract heat. If they get too hot, they will remelt. This remelting of the dendrites is called recalescence. Dendrites usually form under non equilibrium conditions.

Қолдану

Дендриттік өсудің бағыттағы қатаюда қолданылуы жоғары температурада қолданылатын және негізгі осьтер бойынша жоғары кернеулерді жеңуге тиіс газ турбинасы қозғалтқышының табақтары болып табылады. Жоғары температурада дәндердің шекаралары дәндерден әлсіз болады. Қасиеттерге әсерін азайту үшін дәндердің шекаралары дендриттерге параллель орналасады. Бұл қолданбада бірінші рет 12,5% вольфрамды құрайтын никельді қорытпа (MAR M 200) қолданылды, ол қатаю кезінде дендриттерде жинақталды. Бұл жоғары беріктігі бар және құюдың ұзындығы бойымен созылатын, дәстүрлі құюға тең келетін қасиеттерге қарағанда жақсартылған қасиеттерді беретін, қарқынды қарқынды өткізетін пышақтарды әкелді.